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Engineering

一个100千瓦级的应用场磁等离子体动力学推进器

Published: December 22, 2018 doi: 10.3791/58510
Automatic Translation
1, 2, 1, 1, 3, 1, 3, 3, 4, 2
1Key Laboratory of Spacecraft Design Optimization & Dynamic Simulation Technologies of Ministry of Education, School of Astronautics, Beihang University, 2Key Laboratory of Spacecraft Design Optimization & Dynamic Simulation Technologies of Ministry of Education, School of Space and Environment, Beihang University, 3Beijng Institute of Control Engineering, 4School of Aerospace Engineering and Geodesy, University of Stuttgart

Summary

该协议的目的是介绍一种100千瓦级应用场磁流体动力推进器的设计及相关的实验方法。

Abstract

应用场磁流体动力推进器 (af-mpd 推进器) 是一种混合加速器, 其中电磁和气体动态过程将等离子体加速到高速;它们具有较高的比脉冲和推力密度的显著优势, 对未来的空间应用具有相当大的潜力。本文提出了设计和制造具有水冷结构的100千瓦级 af-mpd 推进器、130 v 最大放电电压、最大放电电流 800 a 和磁场最大强度 0.25 t 的一系列协议。一种空心钽钨阴极作为唯一的推进剂入口, 以抑制径向放电, 并将其轴向放置在阳极的后方, 以减轻阳极饥饿。采用圆柱形发散铜阳极来减小阳极功率沉积, 从而减小了阳极的长度, 减少了墙体-等离子体连接面积。实验采用了真空系统, 可实现 0.01 pa 的工作真空, 使总推进剂质量流量低于 40 mgs, 并实现目标推力支架。进行了推进器试验, 以测量推进剂流量、放电电流、应用磁场强度等工作参数对性能的影响, 并进行适当分析。推进器可以连续运行很长一段时间, 空心阴极表面几乎没有侵蚀。推进器的最大功率为 100千瓦, 这种水冷配置的性能与文献中报告的推进器相当。

Introduction

mpd 推进器以相对较高的推力密度和较高的比脉冲1,2,3而闻名。然而, mpd 推进器的典型推力效率 1相对较低, 特别是在惰性气体推进剂 4,5,6。对于大多数 mpd 推进器, 推进剂流量的一部分从阳极和阴极7, 8 之间的缝隙注入排放室, 结果是径向分量占总排放量的很大比例。然而, 为了产生推力, 径向动力学效应需要转换为轴向动力学运动与物理喷嘴或磁性喷嘴。因此, 新设计的 mpd 推进器的一个关键特征是所有推进剂都是通过阴极提供的, 它可以起到抑制径向放电的作用;这样, 轴向能量的比例就可以增加。还有一个额外的效果, 即在阳极周围的等离子体中的霍尔参数可以通过减少阳极周围的数字密度来增加, 从而加强霍尔加速度分量9。由于推进剂靠近阴极内部表面, 在这种注入模式下发射大量初始电子, 因此可以大大提高推进剂的电离速率。此外, 阳极长度最小化, 减少了壁极等离子体连接面积, 减少了阳极功率沉积10,11。当应用发散阳极时, 这将减小阳极与磁场线之间的角度, 进一步减小阳极功率沉积.

尽管上述优点是提高性能, 但阴极注入的完整推进剂供应会增加阳极饥饿的风险, 从而导致 "发病" 现象14。为了抑制这种行为, 我们将阴极收回到阳极的底部。然后, 电子可以在离开阳极出口之前在径向方向充分扩散, 这将起到缓解阳极饥饿的作用。此外, 还采用了多通道空心阴极;与单通道空心阴极相比, 多通道空心阴极可以增加电子发射面积, 使推进剂的分布更加均匀。通过这种修改, 推进器的寿命和稳定性都可以增加15、16、17.

推进器的设计功率为 100千瓦, 在稳态运行下需要一个冷却结构。在目前的实验室实验中, 采用了一种高效的水冷结构。然而, 要评估 mpd 推进器设计的性能, 获得推力至关重要。随着高压水系统的应用, 在这种冷却过程中会产生强烈的振动, 如果我们使用传统的推力测量, 会产生很大的干扰。因此, 采用目标推力支架来测量推力。

mpd 推进器

如图 1所示, mpd 推进器由阳极、阴极和绝缘体组成。阳极由具有圆柱形发散喷嘴的铜制成, 其最小内径为60毫米。阳极的内壁周围有一个 s 形的冷却通道。通道的入口和出口位于阳极的顶部, 由挡板隔开。采用细长铜块连接阳极和电缆。该结点位于阳极的外表面。

阴极材料是钽钨, 有九个推进剂通道。阴极的外径为16毫米。阴极的冷却是通过阴极基座周围的水冷支架实现的。支架内有一个环形通道。冷水从底部注入支架, 并从顶部流出。阴极左侧有一个空心阴极连接器。推进剂流经连接器的中心, 进入空心阴极室;阴极基座内有一个大空腔, 连接9个狭窄的圆柱形通道。空腔起到缓冲的作用, 以增加推进剂在九个通道中的分布的均匀性。阴极用环形铜块连接到电缆上, 该铜块安装在阴极连接器周围。

除了推进器的主体外, 还需要一个外部磁线圈来产生 af-mpd 推进器中的机构场;磁场提供了一个收敛发散磁场, 以加速等离子体与电场的结合。现场线圈由288圈圆形铜管组成, 既是电流通道, 也是冷却水通道。线圈的内径为150毫米, 外径为500毫米。中心的最高场强为 0.25 t, 电流为 230 a。

实验系统

实验系统包括六个子系统。实验系统总体布局的示意图如图 2所示;真空室内推进器的布局如图 3所示。

首先, 真空系统为推进器的运行提供了必要的真空环境, 由一个真空室、两个机械泵、一个分子泵和四个低温泵组成。室的直径为3米, 长度为5米。当 (氩) 推进剂的流速不超过 40 mgs 时, 环境压力可保持在 0.01 pa 以下。

其次, 该源系统提供高压脉冲来点燃推进器, 为推进器提供加速等离子体的功率, 并为磁场线圈提供维持外部磁场的动力。电源系统由点火电源、推进器电源、线圈电源和电缆组成。点火电源可提供8千伏或15千伏的放电电压。推进器电源提供高达 1000 a 的直流电。线圈电源提供高达 240 a 的直流电。

第三, 推进剂供应系统为推进器提供气体推进剂。该系统主要包括气源、质量流量控制器和供气管道。

第四个子系统是水冷系统, 它提供冷却的高压水, 以交换推进器、磁圈和电源的热量。如图 4所示, 该系统由泵组、水箱、冰箱、供水管道和泵控制器组成。真空室内的非导电管道为推进器和磁线圈提供冷却水终端, 并确保阳极、阴极和地面之间的电气绝缘。

采集控制系统可以记录其他系统的信号测量推进器运行条件和控制运行情况。它由三台计算机及相应的软件、数据采集卡和电缆组成。

如图 5所示, 目标推力支架由板目标、细梁、位移传感器、支撑架、轴向可移动平台和径向可移动平台组成。目标可以拦截推动目标的等离子体。目标的位移可以通过放置在目标后面的传感器来测量, 这样就可以对推力18 进行评估。

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Protocol

(一)实验准备

  1. 安装推进器。
    1. 在洁净室内, 用无水酒精浸泡的非灰尘布擦拭推进器的部件。
    2. 将阳极与绝缘体组装。
    3. 将阴极、阴极支架和阴极连接器组合在一起。
    4. 将阴极部分添加到阳极部分。
    5. 将中间接头安装到总成中, 然后用螺钉 (六角插座头螺钉、M5×16) 将其固定。
    6. 用叉车在实验平台上建立线圈座。
    7. 将实验平台放置在真空室导轨上。
    8. 在线圈上安装推进器。
    9. 将阳极和阴极与相应的电缆连接。
    10. 将磁线圈与线圈电源连接。
    11. 将水冷管和推进剂供应管与推进器连接起来。
    12. 将水冷管与线圈连接起来。
    13. 在腔内安装可移动平台, 并将推力支架的主体固定在其上。
    14. 调整径向可移动平台的位置, 使推进器的控制线与目标一致。
  2. 校准推力支架。
    1. 在校准装置上加载不同的重量 (10 克、50克、100克、200克), 一个接一个, 并记录推力支架的相应输出。
    2. 一个接一个地卸载权重。
    3. 至少重复这个过程三次。
    4. 根据校准数据计算推力支架的弹性系数。
  3. 疏散真空室。
    1. 关上房间的门。
    2. 启动机械泵。
    3. 当室内背景压力低于5帕时启动分子泵。
    4. 当室内内的背景压力低于 0.05 pa 时, 启动低温泵。
    5. 等待压力达到 1 x 10-4 帕.

2. 点火推力测量实验

  1. 如果推进器暴露在空气中, 则对其进行预热。
    1. 开始记录信号。
    2. 将推进剂质量流量设置为 40 mgs, 并保持供应至少20分钟
    3. 打开冷却水供应。
    4. 将冷却水泵的工作频率设置为 10 hz。
    5. 将推力支架移动到远离推进器的位置。
    6. 用 90 a 的线圈电流打开线圈电源。
    7. 在放电电流为 240 a 的情况下打开推进器电源。
    8. 打开点火电源。
    9. 保持推进器工作至少5分钟。
    10. 关闭推进器电源和推进剂供应。
    11. 停止录音。
  2. 推力测量
    1. 将推力支架移动到距离推进器550毫米的位置。
    2. 开始记录信号。
    3. 启动推进剂供应。
    4. 点燃具有 90 a 线圈电流和 240 a 放电电流的推进器。
    5. 将线圈电流增加到 150 a。
    6. 将放电电流增加到 800 a。
    7. 将线圈电流增加到 230 a。
    8. 当推力支架的输出变得稳定时, 关闭推进器。
    9. 停止推进剂供应。
    10. 停止录音。

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Representative Results

在实验中, 我们控制放电电流 (id)、推进剂质量流量 (m) 和应用磁场 (ba)。在运行中, 我们测量放电电压 (vd) 和推力 (t) 的值, 从这个基础上我们可以得到其他性能参数, 如功率 (p)、比脉冲 (isp) 和推力效率 ()1。

一个典型的放电电压信号如图 6所示。电源启动时, 阳极和阴极之间会有一个开路电压, 其值约为 230 v。这种开路电压不够高, 无法分解放电室中的中性推进剂;我们需要施加高频放电电压来点燃推进器。点火后, 电压会迅速降低;然后电压在一段时间的振荡后趋于恒定值。

典型的推力测量结果如图 7所示。在启动推进剂供应之前, 我们开始记录推力支架的信号, 该发射剂被视为零推力点。在开始供应推进剂后, 会有微弱的推力。推进器点火后, 会有一个带有振荡的大信号, 之后推力会趋于稳定值。然后我们关掉推进器。由于目标的热变形, 会出现零漂移;此影响引起的误差将不超过1%。

图 8显示了放电电流、应用场和推进剂质量流量对高达25千瓦的电弧功率推力的影响。我们选择: id = 200 a, ba = 100 mt, ṁ = 40 mg\ s, 作为基本操作条件;进行了一系列的实验, 并与基本数据进行了比较。在每个对比实验中, 只有一个操作参数会改变: 放电电流可以从 160 a 到 360 a 不等;应用场强可从 34 mt 到 258 mt 不等;推进剂的质量流量可从 20 mg 到 80 mg。为了便于比较, 我们对这三个操作参数进行了规范化, 如图 8中的底部 x 轴所示。当规范化操作参数为1.0 时, 表示操作条件与基本操作条件相同。除了底部 x 轴, 顶部还有三个 x 轴, 分别对应于三个参数的原始值。

图 9显示了连续运行半小时内的放电特性。可以看出, 推力器点火后迅速趋于稳定, 在此期间电压稳定。

图 10显示了钽钨阴极在测试前后的照片。测试的总运行时间为 10小时, 包括半小时的连续运行和90多次启动的短时间测试。可以看出, 在阴极的外表面上, 侵蚀轻微, 分布均匀。根据这一结果, 推进器有可能长期工作。

经过连续运行试验, 我们探讨了推进器在50-100千瓦功率范围内的性能。用目标推力支架测量推力, 测量结果如图 11所示。在 99.5 kw 时得到了最佳的性能, 推力为 3052 mn, 比脉冲为 4359 s, 推力效率为67%。此外, 还计算了一个理论推力值, 如 eq. 1 (mikellides12 ) 所示, 以便与测量的推力值进行比较;最大的区别是11.6。

Equation 1(2)

(a是阴极半径与电极长度之比;r是电极半径比;a是原子质量单位中的原子量Equation 2 , 并且是电离因子12。

推进器优化的效果

图 8显示了随系统参数变化而产生的推力值, 可以看出推进剂质量流量对推力的影响与应用场的影响相似。由于气体动态加速度19对ṁ敏感, 因此可以得出结论, 我们的推进器中的气体动态加速度分量得到了增强。此外, 放电电流和应用场在几种不同的机构中影响电磁加速度, 其影响应该是显而易见的。在我们的实验中, 推力对放电电流的增加比应用场的增加要敏感得多, 如图 8所示。这种行为的一个方面可能是由于加强气体的动态影响, 增加轴向放电电流, 由于特定的推进剂供应模式通过阴极。此外, 如图 11所示, mpd 推进器的推力效率最高, 为 67%, 与带有碱金属推进剂20的 mpd 推进器的卓越效率相当。因此, 设计变化的效果可以显著提高 mpd 推进器的性能。

此外, 尽管没有阳极区域推进剂供应, 但我们的推进器在800a 的放电电流和 70 mgs 的推进剂供应速率下运行稳定。相比之下, 带有阳极部分推进剂供应的 mpd 推进器 sx321在放电电流为500a 时达到起效状态, 推进剂供应速率为 60 mgs,基于具有临界值 i 2 的 mpd 推进器的稳定性/ṁ2 2日, 目前的推进器比 sx3 略好。

目标推力测量误差

在目标推力测量中, 有必要避免在最高性能的操作中高估推力。在这里, 我们假设目标和等离子体中的重粒子之间的碰撞是完全有弹性的。因此, 测量推力的一半被认为是真正的推力。此外, 在推进剂流向目标的情况下, 我们假设等离子体完全受到磁场的限制。我们选择穿过阳极外部范围的磁场线作为磁喷嘴的边界。假设等离子体粒子均匀分布在喷嘴中, 如图 12所示, 我们可以得到目标平面上等离子体的范围, 直径为704毫米。然后, 测量的推力和真正的推力之间的关系可以表示为:

Equation 3(3)

其中f是目标测量的推力, t是真正的推力。

此外, 由于目标的阻隔行为, 推进剂颗粒可能会回流到排放室。假设所有粒子都从目标中心释放, 如图 13所示, 并且回流粒子的分布符合余弦定律23, 则可以用 eq. 3 来评估再入粒子的比例。如果回流粒子在空间的各个方向均匀分布, 则该比例将用 eq. 4 表示。图 14列出了在两个分布假设下, 目标推进器距离 z 的比例变化。在推力测量中, 目标推进器距离为 550 mm;因此, 再入颗粒的比例计算为不超过0.3%。

背景压力也会影响测量的推力性能。当推进器达到最高性能时, 系统中的背景压力可以保持在0.2 帕, 质量流量为 70 mg s。然而, 由于这种高背景压力20、24、25 的影响, 测量的推力可能高于实际值。为了消除这种可能的影响, 真空系统的泵速度应该提高, 这是一个有计划的升级。

目标由导电材料制成, 在推力测量过程中与地面绝缘。然而, 羽流中存在流出电流, 可能与目标相互作用, 并影响 mpd 推进器测量15的行为.这可能是影响推力效率大小的一个因素, 值得进一步考虑。

Equation 4(2)

Equation 5(2)

Figure 1
图 1.af-mpd 推进器原理图
mpd 推进器的主体包括阳极 (铜)、阴极 (钽钨)、绝缘体 (氮化硼)、阴极支架 (铜) 和阴极连接器 (铜)。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2.实验系统原理图
水冷系统中的蓝线: 高压冷水;水冷系统中的红线: 加热水。采集与控制系统中的绿线: 运行参数信号;采集和控制系统中的棕色线: 控制指令的信号。电源系统中的蓝线: 连接推进器和磁线圈阳极的电线;电源系统中的红线: 连接推进器和磁线圈阴极的电线。中间的蓝色梯形: 推进器的光束。 请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 3
图 3.真空室内的实验布局
推进器被放置在磁场线圈内部。线圈在目标推力支架后面;因此, 推进器视图从图形中的视觉角度被目标阻挡。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 4
图 4.水冷系统
(a) 泵组、水箱和冰箱 (放置在实验室外)。(b) 供应冷却水的高压金属管 (真空室外)。(c) 为电极和磁圈 (真空室内) 提供冷却水的接头和绝缘管道。(d) 泵控制器设置水泵的流量。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 5
图 5.目标方法推力支架
推进器和目标的中心线相互重合。目标的轴向位置可以用可移动平台进行调整。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 6
图 6.推进器的典型放电电压
放电电流为 240 a, 应用场为 258 mt, 推进剂质量流量为 40 mgs. 请点击此处查看此图的较大版本.

Figure 7
图 7.典型推力测量信号
放电电流为 240 a, 应用场为 258 mt, 推进剂质量流量为 40 mgs. 请点击此处查看此图的较大版本.

Figure 8
图 8.放电电流、应用场和推进剂质量流速对推力的影响, 电弧功率可达 25千瓦.底部的 abscissa 表示规范化的操作参数, 包括:
id (放电电流)、ba (应用磁场强度) 和ṁ (推进剂质量流速), id = 200 a, ba = 100 mt, ṁ = 40 mgss 作为基本操作条件, 对应于底部横坐标上的值1。顶部的 abscissas 对应于三个参数的原始值。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 9
图 9.36千瓦电弧功率的连续工作电流和电压
三条实线分别是放电电压、放电电流和计算电弧功率的输出信号。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 10
图 10.术后初始阴极外观和阴极共10小时。
图的左侧显示了钽钨空心阴极在放电前的图像;右侧显示阴极在放电下总共10个小时后。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 11
图 11.推力器在50-100千瓦功率范围内的性能
带有星型符号的点是由推力公式12计算的推力值。其他符号是用目标推力支架测量的推力值。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 12
图 12.与磁场几何形状比较的目标大小示意图
虚线表示通过阳极外部范围的磁场线。虚线内的磁场可以在空间中形成一个细长的磁性喷嘴。在实验中, 喷嘴的直径为704毫米, 与推进器方向为550毫米。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 13
图 13.回流粒子动力学原理图 
目标的辐射箭头表示目标中心的反弹粒子。在这里, 我们假设所有粒子从目标的中心点反弹。这一假设将高估再入粒子比例的计算。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 14
图 14.回流推进剂进入排放室的百分比
带有正方形符号的线表示基于回流粒子服从余弦分布的假设的再进入粒子的比例。带有钻石符号的线表示从一个统一的分布。横坐标是目标和阳极出口之间的距离。请点击这里查看此图的较大版本.

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Discussion

该协议描述了100千瓦级应用现场 mpd 推进器的点火、运行和推力测量过程。设计高性能 mpd 推进器的关键是根据特定目标选择合适的配置。具有收敛发散阳极的 mpd 推进器可以在较大的工作范围内发挥稳态作用。但是, 性能可能低于具有发散阳极的推进器。空心阴极, 特别是多通道空心阴极, 在大多数方面都优于传统的棒阴极。空心阴极的应用有利于提高推进器的性能, 为推进剂的供应模式提供了选择。与固体阴极相比, 空心阴极的制造成本相对较高。

如果推进器的工作时间超过 10分钟, 则需要流体电路冷却结构来操作推进器。或者, 辐射冷却是另一个选择26, 它可以避免复杂的冷却液管道。但是, 这可能会导致推力器的径向大小较大。此外, 在实际空间飞行任务中使用热管可以是另一种选择。

外部磁场对于 af-mpd 推进器是不可缺少的。该领域可以由传统的电磁铁线圈提供, 如协议中所述, 或永磁体。此外, 超导是一个潜在的候选, 它可以提供比传统线圈更强的磁场, 其质量也比传统的电磁铁线圈要小。

为了进行推力测量实验, 背景压力应低于 0.013-0.13 pa 1.否则, 推进器的操作可能会受到影响。此外, 根据研究27, mpd 推进器的羽流中存在流出电流, 最远的电流在轴向可以到达距离推进器90厘米的位置。因此, 增加箱体的大小有利于减少设施对推进器的影响。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

这项工作得到了基础研究方案的支持 (没有。jcky2017601c)。我们感谢俄亥俄州立大学名誉教授托马斯·约克的帮助。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Cryogenic Pumps Brooks Automation Pumping speed: 10000L/s
Displacement Sensor Panasonic HG-C1030 Repetition precision: 10μm
Linearity: ±0.1% F.S.
Mass Flow Rate Controller Brooks Automation Range: 0-120mg/s
Molecular Pump Oerlikon Pumping speed: 2100L/s
Moveable Plantform Beijing Weina Guangke Automation equipment Co., Ltd. Range:0-2000mm
Plsatic Water Pipes Xingye Xingye fluoroplastics (Jiaxing) Co., Ltd. Ultimate pressure: 4.5MPa
Propellant Argon Beijing Huanyu Hinghui Gas Technology Co., Ltd. Purity:99.999%
Refrigerator Beijing Jiuzhou Tongcheng Technology Co., Ltd. Refrigeration power:45kW
Water Pumps Liaocheng vanguard Motor Co., Ltd.;
Shanghai people pump industry group Manufacturing Co., Ltd.;
Nanfang Pump Limited company		 Maximum Output pressure:
Centrifugal pump:1MPa
Plunger pump:10MPa

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工程 第142期 电力推进 100千瓦级 稳态 水冷 af-mpd 推进器 推进器设计 多通道空心阴极 钽钨 目标推力测量
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Wang, B., Tang, H., Wang, Y., Lu,… More

Wang, B., Tang, H., Wang, Y., Lu, C., Zhou, C., Dong, Y., Wang, G., Cong, Y., Luu, D., Cao, J. A 100 KW Class Applied-field Magnetoplasmadynamic Thruster. J. Vis. Exp. (142), e58510, doi:10.3791/58510 (2018).

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